Credit de imagine: ESA
Dr. David Ermer, împreună cu compania sa, Opti-MS Corporation, construiește în prezent un spectru de masă în timp de zbor în miniatură, care poate detecta semnături biologice la o rezoluție și o sensibilitate foarte ridicate, dar totuși suficient de mic pentru a fi folosit pentru aplicații robotice și umane. în explorarea spațială.
Ermer folosește un sistem inovator pe care l-a dezvoltat la Mississippi State University și a primit un premiu al NASA Small Business Innovation Research (SBIR) pentru a-și continua cercetarea pentru a-și construi și testa dispozitivul său.
Un spectrometru de masă este utilizat pentru a măsura greutatea moleculară pentru a determina structura și compoziția elementară a unei molecule. Un spectrometru de masă de înaltă rezoluție poate determina masele foarte precis și poate fi utilizat pentru a detecta lucruri precum fragmente de ADN / ARN, proteine și peptide întregi, fragmente de proteine digerate și alte molecule biologice.
Un spectrometru de masă de timp de zbor (TOF-MS) funcționează prin măsurarea timpului necesar pentru ca ionii să călătorească printr-o zonă de vid a dispozitivului cunoscut sub numele de tub de zbor. Spectrometria de masă a timpului de zbor se bazează pe faptul că pentru o energie cinetică fixă, masa și viteza ionilor sunt interrelaționate. „Câmpurile electrice sunt folosite pentru a oferi ionilor o energie cinetică cunoscută”, a explicat Ermer. „Dacă știți energia cinetică și știți distanța pe care o parcurg ionii și știți cât durează călătoria, atunci puteți determina masa ionilor.”
Dispozitivul Ermer folosește ionizarea cu desorbție laser asistată cu matrice sau MALDI, unde un fascicul laser este direcționat către eșantionul de analizat și laserul ionizează moleculele care apoi zboară în tubul de zbor. Timpul de zbor prin tub se corelează direct cu masa, moleculele mai ușoare având un timp de zbor mai scurt decât cele mai grele.
Analizatorul și detectorul spectrometrului de masă sunt păstrați într-un vid pentru a lăsa ionii să călătorească de la un capăt al instrumentului la celălalt, fără nici o rezistență de a se ciocni cu molecule de aer, ceea ce ar modifica energia cinetică a moleculei.
O placă tipică de probă pentru un TOF-MS poate păstra între 100-200 de probe, iar dispozitivul poate măsura distribuția completă a masei cu o singură lovitură. Prin urmare, se creează cantități uriașe de date într-un interval de timp foarte scurt, timpul de zbor pentru majoritatea ionilor apar în microsecunde.
TOF-MS de Ermer combină o configurație mecanică relativ simplă cu achiziție electronică de date extrem de rapidă, împreună cu capacitatea de a măsura mase foarte mari, ceea ce este esențial în realizarea analizei biologice.
Dar aspectul cel mai unic al dispozitivului Ermer este dimensiunea acestuia. Spectrometrele de masă comerciale disponibile în prezent au cel puțin un metru și jumătate lungime. Acesta este un volum destul de mare pentru a fi inclus pe un vehicul științific in situ, cum ar fi mașinile de golf Mars Exploration Rovers sau chiar cel mai mare laborator Mars Science Rover programat să se lanseze în 2009. Ermer a conceput o modalitate de a miniaturiza un TOF-MS pentru un uimitor 4? lungime de centimetri. El estimează că dispozitivul său va avea un volum mai mic de 0,75 litri, o masă mai mică de 2 kilograme și va necesita mai puțin de 5 wați de putere.
Ermer a folosit o tehnică de optimizare neliniară pentru a crea un model computerizat al unui spectrometru de masă. Au fost selectați 13 parametri, care au fost selectați, inclusiv distanțarea diferitelor elemente din TOF-MS și tensiunile de accelerare a ionilor. Folosind această tehnică, Ermer a putut găsi câteva soluții unice pentru un TOF-MS foarte scurt.
„Încerc să construiesc un Spectrometru de masă pentru timpul de zbor care este suficient de mic pentru a merge efectiv în spațiu”, a spus Ermer. „Principala aplicație la care NASA privește este căutarea moleculelor biologice, pentru a găsi dovezi ale vieții trecute pe Marte. De asemenea, vor să poată face biologie moleculară pe stația spațială, deși aplicația Marte are o prioritate mai mare. Dispozitivul meu ar trebui să respecte toate cerințele pe care le are NASA, în ceea ce privește puterea, dimensiunea și greutatea. "
Ermer vede, de asemenea, potențial ca dispozitivul său să fie utilizat comercial. „Ceea ce am este un dispozitiv portabil pentru măsurarea moleculelor biologice”, a spus el. „Dacă ați fost la un aeroport și ați găsit o pulbere albă, veți dori să știți dacă este antrax sau praf de cretă destul de repede. Deci doriți un dispozitiv portabil mic, destul de ieftin, care să poată face asta. " În propunerea sa către NASA, Ermer a declarat: „Principala aplicație (comercială) pentru TOF-MS în miniatură este screeningul bolilor infecțioase și agenților biologici. De asemenea, credem că performanța superioară a proiectării noastre va permite pătrunderea pe piața generală a TOF-MS. "
Ermer a primit premiul SBIR de 70.000 USD la jumătatea lunii ianuarie și a construit și testat deja o dovadă mai mare de proiectare a conceptului, care validează tehnologia pe care a proiectat-o pentru TOF-MS. "Până acum, testele au mers extrem de bine", a spus Ermer. Am detectat molecule de până la 13.000 Daltons (Dalton este un nume alternativ pentru unitatea de masă atomică sau amu.) Dispozitivul funcționează așa cum este proiectat pentru mase de până la 13.000 Daltons și are o rezoluție de masă ceva mai bună decât un dispozitiv cu dimensiuni complete la 13.000 Daltons. În prezent, lucrăm la detectarea maselor la 100.000 de Daltons, iar rezultatele inițiale sunt promițătoare. "
„Punerea în funcțiune a dispozitivului este probabil cea mai mare piedică”, a spus Ermer despre provocările acestui proiect. „Multe lucruri grele sunt făcute, dar electronica este foarte dificilă. Pentru acest dispozitiv, trebuie să generați impulsuri de înaltă tensiune de aproximativ 16.000 de volți. Acesta a fost probabil cel mai greu lucru pe care am avut de făcut până acum. "
Detectorul de multiplicare a electronilor este special conceput pentru o miniatură a spectrometriei de zbor de către o companie externă. Ermer și propria sa companie au proiectat majoritatea celorlalte părți ale dispozitivului, inclusiv carcasa de vid și extractorul cu laser. Deoarece este atât de mic, crearea acestor piese necesită prelucrare cu toleranță foarte mare, ceea ce a fost realizat și de o companie externă.
Programul SBIR NASA „oferă oportunități sporite pentru întreprinderile mici de a participa la cercetare și dezvoltare, de a crește ocuparea forței de muncă și de a îmbunătăți competitivitatea Statelor Unite”, potrivit NASA. Unele obiective ale programului sunt stimularea inovației tehnologice și utilizarea întreprinderilor mici pentru a răspunde nevoilor federale de cercetare și dezvoltare. Programul are trei faze, faza I primind 70.000 USD pentru șase luni de cercetare pentru a stabili fezabilitatea și meritul tehnic. Proiectele care ajung în faza a II-a primesc 600.000 USD pentru alți doi ani de dezvoltare, iar faza III asigură comercializarea produsului.
Ermer este profesor la Universitatea de Stat din Mississippi. A făcut cercetări în domenii legate de spectrometria de masă din 1994, iar pentru teza de doctorat la Universitatea de Stat din Washington, a analizat distribuțiile de energie ale ionilor care sunt generate în diferite materiale de către un laser. Pentru cercetările sale postdoctorale la Vanderbilt, a studiat tehnica MALDI folosind un laser cu electroni liberi cu infraroșu. Mai multe informații despre Opti-MS pot fi găsite pe www.opti-ms.com.
Nancy Atkinson este scriitor independent și ambasador al Sistemului Solar NASA. Locuiește în Illinois.
